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Quantencomputer: Alleskönner mit Grenzen

Quantencomputer lösen bestimmte Probleme im Handumdrehen - doch auch sie haben technische und physikalische Grenzen.

Ein Bericht von Matthias Matting veröffentlicht am
Quantencomputer von IBM: Sind Quantencomputer herkömmlichen überlegen?
Quantencomputer von IBM: Sind Quantencomputer herkömmlichen überlegen? (Bild: IBM/CC-BY 2.0)

Die Quanten kommen: Alles Wissenswerte über Quantenthemen erfahren Sie auch auf der Konferenz von Golem.de am 23. Juni in Berlin!

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Der Vorteil, das große Versprechen eines Quantencomputers lässt sich auf ein einzelnes Phänomen herunterbrechen: die Superposition, also die Tatsache, dass im Quantenregime bis zur Messung stets eine Überlagerung vieler Zustände, Möglichkeiten, vorliegt, die von der Wellenfunktion des Systems beschrieben wird. Wenn man das Bit der klassischen IT, das stets entweder aus oder an, entweder 0 oder 1 ist, in die Quantenwelt überträgt, erhält man ein viel flexibleres Bit, das alle möglichen Zustände gleichzeitig annehmen kann. Jede Operation, die man darauf anwendet, wird dadurch an allen Zuständen parallel ausgeführt. Das Bit des Quantencomputers heißt zur besseren Unterscheidung auch Qubit. Anschaulich bedeutet das, dass der Rechner nicht wie ein klassischer Computer bloß 1 + 1 = 2 ausrechnet, sondern x + y = z, und zwar für alle möglichen Werte von x und y.

Inhalt:
  1. Quantencomputer: Alleskönner mit Grenzen
  2. So ein Quantencomputer ist anders
  3. Was kann ein Quantencomputer? Was nicht?

In der Praxis ergibt sich dann zwar immer noch das Problem, das gewünschte Ergebnis geschickt auszulesen, aber das ist lösbar - und eine Frage, um die sich die Entwickler von Quantenalgorithmen kümmern. Der Dimension, um die sich die Leistungsfähigkeit dank des Quantenphänomens Superposition verbessert, tut das keinen Abbruch.

Trotzdem werden heute noch immer neue Supercomputer gebaut, steigt die Leistungsfähigkeit selbst von Desktoprechnern von Jahr zu Jahr. Warum steht nicht längst unter jedem Schreibtisch ein Quantencomputer? Wieso konstruieren IBM & Co. nach wie vor immer schnellere Superrechner, statt Milliarden in die Entwicklung des Quantencomputers zu investieren? Dafür gibt es eine ganze Reihe von Ursachen, die sich in zwei Punkten zusammenfassen lassen: Sie sind schwer zu skalieren, und sie sind schwer zu programmieren. Hinzu kommt, dass sich selbst die Experten noch lange nicht einig sind, wie leistungsfähig ihre verschiedenen Ausprägungen tatsächlich sind.

Problem 1: von einem zu vielen Bits

Seit Peter Shor 1994 zeigte, dass sich mit Quantencomputern in polynomialer Zeit Primzahlen faktorisieren lassen (eine wesentliche Grundlage der meisten aktuellen kryptographischen Algorithmen besteht darin, dass genau das nicht möglich ist), erfreut sich das Konzept allergrößten Interesses. Schnell konnte man es auch praktisch umsetzen: zunächst mit ein, zwei, drei Bits, 2005, also vor nun zwölf Jahren, kam man bei sechs bis acht Bits an und prognostizierte, dass damit nun der Durchbruch erreicht sei. Heute können "klassische" Quantencomputer im besten Fall auf eine zweistellige Zahl von Bits zugreifen.

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Das hat vor allem physikalische Gründe. Quantenzustände sind sehr fragil. Passt man nicht auf, fallen sie der Dekohärenz anheim, geben also die Superposition zugunsten eines klassischen Entweder-Oder auf. Am besten kann man sie schützen, indem man das System sehr stark kühlt und von der Außenwelt isoliert. Aber das ist aufwendig. Quantenrechner, die mit Ionenfallen oder Photonen arbeiten, dürften deshalb kaum eine industrielle Zukunft haben (in der Gegenwart sind sie allerdings spannend, weil sie sich besonders gut untersuchen und manipulieren lassen). Am vielversprechendsten dürften auf supraleitenden Schaltkreisen basierende Quantencomputer sein. Sie benötigen zwar ebenfalls tiefe Temperaturen, bieten jedoch die Aussicht, sich in Siliziumtechnik integrieren und deutlich verkleinern zu lassen.

Neben der Dekohärenz gibt es ein zweites Problem, das die Forscher beschäftigt.

So ein Quantencomputer ist anders 
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Apfelbrot 26. Apr 2017

Oder als Bild abspeichern!

Apfelbrot 26. Apr 2017

Es gibt maximal 21 Millionen, richtig. Alle 210.000 Coins wird die Belohnung für einen...

Prinzeumel 26. Apr 2017

Nicht so arg viel.

chithanh 25. Apr 2017

Einige der Aussagen im Artikel zu Krypto- und Komplexitätsthemen sind etwas ungenau...

DerSchildkröten... 25. Apr 2017

Mit dem Gefühl überfordert zu sein bezogen auf die Komplexitätstheorie sind sie nicht...


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